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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGIA
QUÍMICA AMBIENTAL
NOMBRE: Diana Sánchez PARALELO: “A”
FECHA: 01/10/09
Tema: Ciclos Biogeoquimicos
Objetivos:
Investigar acerca de los diferentes ciclos biogeoquímicos presentes en nuestro
planeta
Concientizar como nuestra manera de vida influye en la contaminación
ambiental y que podemos aportar para que la misma reduzca
Maro Teórico:
Cada elemento tiene sus singularidades, pero todos los nutrientes fluyen desde los
componentes no vivos del ecosistema a los vivos y vuelven de nuevo a los elementos no
vivos mediante una ruta más o menos cíclica conocida como ciclo biogeoquímico.
Existen dos tipos de ciclos biogeoquímicos: gaseosos y sedimentarios, según la fuente
principal de entrada de nutrientes al ecosistema. En los ciclos gaseosos las principales
reservas de nutrientes son la atmósfera y los océanos. Por ello los ciclos gaseosos son
claramente globales. Los gases más importantes para la vida son el nitrógeno, oxígeno y
el dióxido de carbono, los cuales en cantidades estables de 78%, 21% y 0.03%
respectivamente son los componentes dominantes en la atmósfera.
En ciclos sedimentarios el principal componente son rocas y minerales. Los elementos
minerales necesarios para los organismos se encuentran disueltos en agua del suelo o
lagos, arroyos, mares vivos; y provienen inicialmente de estas fuentes inorgánicas. El
ciclo mineral varía de un elemento a otro y consiste en dos fases (rocosa y de solución
salina). Las sales minerales provienen directamente de la corteza terrestre a través de la
erosión. Una vez disueltas se introducen en el ciclo del agua. Con ella se mueven a
través del suelo en arroyos y lagos y finalmente llegan hasta los mares donde
permanecen por tiempo indefinido. Otras sales vuelven a la corteza terrestre a través de
su sedimentación. Se incorporan como depósitos de sal, limo y piedra caliza. Cuando
vuelven a erosionar se incorporan de nuevo al ciclo.
Tanto los ciclos sedimentarios como los gaseosos constan de procesos biológicos y no
biológicos; ambos son conducidos por el flujo de energía a través del ecosistema; y
están unidos al ciclo del agua gracias a ella los elementos y otros minerales se movilizan
dentro del ecosistema, sin ella los ciclos biogeoquímicos cesarían.
Desde la perspectiva del ecosistema todos los ciclos biogeoquímicos poseen una
estructura común y comparten tres componentes básicos: entradas, circulación interna y
salidas.
La entrada de los nutrientes al ecosistema depende del tipo de ciclo biogeoquimico. Los
nutrientes de ciclos gaseosos como el carbono y el nitrógeno, ingresan al ecosistema a
través de la atmósfera. Nutrientes como el calcio y fósforo contienen ciclos
sedimentarios, con entradas que dependen de la meteorización de las rocas y los
minerales, la circulación de nutrientes y energía sucede dentro de todos los ecosistemas.
Gracias a los procesos de intercambio, los ciclos biogeoquímicos de los diferentes
ecosistemas están relacionados entre sí. Donde la salida de uno, representa la entrada de
otro (exportación de nutrientes a través de ecosistemas acuáticos).
Los ciclos de la materia se encuentran influenciados por las plantas y
microorganismos, estos participan en ciclos biogeoquímicos.
El ciclo del carbono
El carbono puede estar presente como CO2 atmosférico gaseoso y constituye una
pequeña pero muy significativa del carbono global, algo del C se disuelve en el agua
superficial y en el agua subterránea como HCO3−¿ ¿
ó CO2(acuoso) molecular. Una gran
cantidad del carbono está presente en minerales, particularmente carbonatos de
magnesio y calcio tales como el CaCO3. La fotosíntesis fija el C2 inorgánico como
carbono biológico (CH 2O) el cual es un constituyente de todas las moléculas de los
seres vivos. Otra fracción del carbono se fija como petróleo y gas natural, con una
cantidad mucho mayor como el querógeno de hidrocarburos, carbón y lignito. Mediante
procesos industriales, los hidrocarburos se convierten en compuestos xenobiótios, con
grupos funcionales que contienen halógenos, O2, N2, P2 o S2. Aunque son una cantidad
muy pequeña del C ambiental total, estos compuestos son particularmente significativos
debido a sus efectos químico toxicológicos.
El ciclo del C es importante ya que por el estel la energía solar se transfiere a los
sistemas biológicos, geosfera y antroposfera como C fósil y combustibles fósiles. El C
orgánico,CH 2O, está contenido en moléculas ricas en energía, que pueden reaccionar
bioquímicamente con el oxígeno molecular, generando CO2 y producir energía,
ocurriendo en un organismo a través de la respiración o por combustión. Los
microorganismos están fuertemente involucrados en el ciclo del C, ya que son
mediadores de reacciones bioquímicas cruciales. Las algas fotosintéticas son agentes
predominantes en la fijación del C en el agua, según consumen CO2 para producir
biomasa el pH del agua aumenta, posibilitando la precipitación del CaCO3 y del
CaCO3 . MgCO3. El C orgánico fijado por los microorganismos se transforma en
petróleo fósil, querógeno, carbón y lignito, gracias a los procesos biogeoquímicos. Los
microorganismos degradan el C orgánico de la biomasa, del petróleo y de fuentes
xenobióticas, devolviéndolo finalmente a la atmósfera como CO2. Los hidrocarburos,
como los del petróleo crudo y algunos hidrocarburos sintéticos son degradados, por los
microorganismos siendo este un proceso importante para la eliminación de
hidrocarburos contaminantes, como los que son derramados accidentalmente en la tierra
o en el agua. La biodegradación también puede usarse para tratar compuestos que tienen
C en residuos peligrosos.1
Un número de procesos, particularmente la producción primaria y la descomposición,
determinan la velocidad a la cual el C circula a través del ecosistema. Ambos procesos
están influenciados en gran medida por condiciones ambientales como temperatura y las
1 Smith, T. Robert, S. 2007.”Ecología”.
precipitaciones. En ecosistemas cálidos y húmedos como selvas tropicales, la
producción y descomposición son altas y el C circula rápidamente a través del
ecosistema. En ecosistemas fríos y secos, este proceso es más lento. En ecosistemas
cuyas temperaturas son muy bajas, la descomposición es muy lenta y la materia
orgánica muerta se acumula. En pantanos y marismas, donde la materia muerta cae en el
agua, la materia orgánica no se descompone por completo.
La diferencia entre la cantidad de C absorbida por las plantas en la fotosíntesis y la
liberada por la respiración es la producción primaria neta (en unidades de C). La
diferencia entre la cantidad de C que se absorbe en la fotosíntesis y la pérdida de C
debida a la respiración autótrofa y heterótrofa es la producción neta del ecosistema.
El ciclo del nitrógeno
El Nitrógeno se encuentra de forma prominente en todas las esferas del ambiente. La
atmósfera está constituida en un 78% en volúmen por N2 elemental constituyendo una
fuente inagotable de este elemento esencial. El N2 es un constituyente esencial de las
proteínas y básico en todo tejido vivo. El N2 es una molécula muy estable por lo que su
ruptura en átomos que puedan ser incorporados a formas químicas orgánicas e
inorgánicas es un paso limitante en este ciclo.
Normalmente el N2 se encuentra disponible para las plantas solamente en dos formas
químicas: amonio ¿ y nitrato ¿. De este forma aunque la atmósfera este compuesta en
casi 80% por gas de nitrógeno, se encuentra en una forma ( N2) que no permite su
asimilación por parte de las plantas. El N2se introduce en el ecosistema a través de dos
rutas y la importancia relativa de cada una de ellas varía enormemente entre los distintos
ecosistemas. La primera es la deposición atmosférica. Puede ser en la deposición
húmeda, con la lluvia, nieve e incluso pequeñas gotas provenientes de las nubes y la
niebla, o en la deposición seca como los aerosoles y la materia particulada por
cualquiera de estas dos deposiciones el N2 se suministra de tal forma que se encuentra
disponible para que los vegetales lo absorban.
La segunda ruta por el cual el N se incorpora al ecosistema es mediante fijación del
mismo, esta se produce de dos maneras. Una es de alta energía. La radiación cósmica, la
estela de los meteoritos y los rayos proporcionan la alta energía necesaria para la
combinar el N2con el oxígeno y el hidrógeno del agua. El amonio y los nitratos
resultantes se transportan hacia la superficie de la tierra mediante agua de lluvia. .
La segunda forma de fijación es biológica y es llevada a cabo por las bacterias
simbióticas que viven asociación mutualista con las plantas, por bacterias aeróbicas
libres y por cianobacterias. La fijación divide el N2 en dos átomos de nitrógeno libre,
estos átomos se combinan con el hidrógeno y forman dos moléculas de amonio (NH3),
Este proceso requiere un cantidad de energía considerable, pues para fijar 1g de
nitrógeno, las bacterias asociadas con la raíz de la planta deben consumir alrededor de
10g de glucosa. Ciertos líquenes también se encuentran involucrados en la fijación del
nitrógeno, aquellos que tienen esta capacidad poseen cianobacterias fijadoras de
nitrógeno como componente algal.
Las plantas pueden utilizar directamente el amonio de suelo. Además la deposición
atmosférica el NH 4+¿¿
se forma en el suelo como producto de la descomposición
microbiana de la materia orgánica, en la cual se libera NH3 como desecho de la
actividad microbiana, este proceso se denomina amonificación.
La mayor parte de los suelos tienen un exceso de H+¿¿, por lo que el NH3 se convierte
rápidamente en amonio. Dado que el NH3 es un gas, la transferencia de nitrógenos hacia
la atmósfera se da en suelos cuyo pH es cercano a 7.
En algunos ecosistemas las raíces de las plantas deben competir por el NH 4+¿¿
con dos
grupos de bacterias aeróbicas, que lo utilizan como parte de su metabolismo. El primer
grupo los nitrosomas quienes oxidan al NH 4+¿¿
para convertirlo en NO2−¿¿
, mientras que
el segundo grupo nitrobacter oxidan al NO2−¿¿
, para convertirlo en NO3−¿¿
. Este proceso
se denomina nitrificación. Una
vez se produce el nitrato, pueden
sucederle muchas cosas. En
primer lugar las raíces de las
plantas lo pueden absorber, en
segundo lugar puede ocurrir una
desnitrificación en condiciones
anaeróbicas, cuando otro grupo
de bacterias (Pseudomonas)
reducen químicamente el NO3−¿¿
,
para convertirlo en N2O y N2. Estos gases vuelven luego a la atmósfera. Las condiciones
anaeróbicas necesarias para la desnitrificacion son poco comunes en la mayor parte de
los ecosistemas terrestres, sin embargo son muy frecuentes en humedales y en
sedimentos de ecosistemas acuáticos de aguas abiertas.
Finalmente el nitrato es la forma más común de nitrógeno exportados desde los
ecosistemas terrestres hacia arroyos y ríos.
Debido a que la fijación del nitrógeno como la nitrificación son procesos llevados a
cabo por bacterias, se encuentran influidas por una variedad de condiciones ambientales
como temperatura y humedad, pero uno de los factores más importantes es el pH del
suelo. Ambos procesos se encuentran normalmente muy limitados en suelos
extremadamente ácidos debido a la inhibición de las bacterias bajo estas condiciones.
Aunque las entradas de nitrógeno pueden variar, el ciclo interno del mismo es similar
entre los distintos ecosistemas. Implica la asimilación de nitrato por parte de las plantas
y el regreso del nitrógeno hacia el suelo, los sedimentos y el agua por medio de la
descomposición de la materia orgánica muerta.
La actividad humana ha tenido una influencia significativa en el ciclo global del
nitrógeno, las fuentes humanas de nitrógeno más importantes son la agricultura, la
industria y los automóviles, en las últimas décadas las entradas antropogénicas de
nitrógeno en los ecosistemas tanto acuáticos como terrestres ha sido una causa de
creciente preocupación. Las intrusiones significativas provienen de la agricultura, los
gases de escape de automóviles y la combustión industrial a las temperaturas agregan
óxido nitroso, oxido nítrico y dióxido de nitrógeno a la atmósfera, estos óxidos pueden
permanecer en la atmósfera hasta 20 años, moviéndose lentamente hasta la estratósfera,
allí la luz ultravioleta reduce el óxido nitroso para convertirlo en óxido nítrico y oxigeno
atómico, este reacciona con el oxígeno molecular formando el ozono.
El ciclo del fósforo
El fósforo se encuentra en cantidades muy pequeñas en la atmósfera, por tanto puede
seguir el ciclo del agua solo en una parte del camino, desde la tierra hacia el mar. Dado
que el fósforo se pierde se esta manera no regresa por medio del ciclo biogeoquímico.
La escases natural de fósforo en los ecosistemas acuáticos se encuentra enfatizada por el
crecimiento explosivo de algas en las aguas que reciben descargas importantes de
efluentes ricos en fósforo.
Debido a que no existen formas gaseosas estables este ciclo se dice es endógeno. En la
geosfera el fósforo es retenido en minerales poco solubles, como la hidroxiapatita, una
sal de calcio, cuyos depósitos constituyen la mayor reserva de fosfato ambiental. El
fósforo soluble de los minerales fosfato y de otras fuentes, como fertilizantes, es
asimilado por las plantas e incorporado en los ácidos nucléicos. La mineralización de la
biomasa por la descomposición microbiana devuelve el fósforo a la disolución salina, de
la que precipita como materia mineral. La antroposfera es un depósito importante de
fósforo en el ambiente.
Las reservas más importantes de fósforo son las rocas y los depósitos naturales de
fosfato. El fósforo es liberado de rocas y minerales por meteorización, lixiviación,
erosión y extracción para utilizarse como fertilizante agrícola. En el suelo una pequeña
parte del fósforo está disponible para las plantas.
En ecosistemas marinos y aguas dulces el ciclo del fósforo tiene tres estados como
fósforo orgánico particulado, fosfatos orgánicos disueltos y fosfatos inorgánicos.
Los fosfatos orgánicos son atraídos por el fitoplancton los cuales a su vez son
asimilados por
el zooplancton
y organismos
que se
alimentan de
detritos. El
zooplancton
puede excretar
tanto fósforo
como el que
almacena en su
biomasa para
que el mismo
vuelva a su ciclo. El resto de fósforo de los ecosistemas acuáticos está presente en
compuestos orgánicos que pueden utilizar las bacterias, que no consiguen regenerar
grandes cantidades de fosfato inorgánico disuelto, los bacteriófagos consumen estas
bacterias excretando el fosfato que ingieren. Una parte de este es depositado en
sedimentos poco profundos y otra en sedimentos profundos. En los océanos el
movimiento de aguas profundas lleva consigo parte de este fosfato desde las
profundidades hacia aguas no tan profundas, donde por la luz se produce la fotosíntesis
este es el fosfato absorbido por el fitoplancton. Parte del fósforo existente en plantas y
animales es depositado en sedimentos dando como resultado aguas superficiales que
tengan fósforo y aguas profundas saturadas del mismo, una gran parte de este fósforo se
encontrará retenido por mucho tiempo en la hipolimnion y en sedimentos, mientras que
otra viajara a aguas superficiales mediante los afloramientos.
La renovación de fosforo orgánico en aguas superficiales es del orden de días y gran
parte del fósforo absorbido en la producción primaria se descompone y mineraliza. En
una escala de tiempo geológica, la elevación y la subsiguiente erosión hacen regresar al
fósforo a su ciclo activo. 2
El ciclo del oxígeno
La fuente principal de oxígeno (O2), la cual representa 20% de la atmósfera, abastece
necesidades de todos los organismos terrestres respiradores y al disolverse en el agua
también a los acuáticos. Existen dos fuentes significativas de oxigeno atmosférico. Una
es la desintegración del vapor de agua a través de un proceso mediado por la luz del sol.
En esta reacción, las moléculas de agua se disocian produciendo hidrógeno y oxígeno.
Gran parte del
hidrógeno escapa
al espacio de los
contrario se
recombinaría con
el oxígeno
formado vapor de
agua.
La otra fuente de
oxígeno es la
fotosíntesis, el
oxígeno es
producido por los
vegetales verdes y consumido tanto por los vegetales como por los animales.
En el proceso de la respiración, el oxígeno actúa como aceptor final para los electrones
retirados de los átomos de carbono de los alimentos. El producto es agua. El ciclo se
completa en la fotosíntesis cuando se captura la energía de la luz para alejar los
electrones respecto de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua. Los electrones
2 Smith, T. Robert, S. 2007
reducen los átomos de carbono (de bióxido de carbono) a carbohidratos. Al final se
produce oxígeno molecular y así el ciclo se completa.
Por cada molécula de oxígeno utilizada en la respiración celular, se libera una molécula
de bióxido de carbono. Inversamente, por cada molécula de bióxido de carbono
absorbida en la fotosíntesis, se libera una molécula de oxígeno.
Este ciclo se encuentra ligado a los demás, en especial al del carbono ya que por
procesos de combustión y metabolismo genera energía.
El ciclo del oxígeno tiene gran importancia debido a la formación de ozono
estratosférico (O3), el cual se encuentra en una pequeña concentración en la tropósfera
ayuda a filtrar los rayos UV que provienen del sol, protegiendo así a la tierra de esta
dañina radiación.
Ciclo del Azufre
La reserva fundamental de azufre es la corteza terrestre y este es usado por los seres
vivos en pequeñas cantidades, para realizar diversas funciones, está presente en
prácticamente todas las proteínas por lo que se considera un elemento esencial para la
vida.
El azufre se transforma en diversos compuestos y circula a través de la biosfera en el
ciclo del azufre, principalmente sedimentario. Entra en la atmósfera desde fuentes
naturales como: sulfuro de hidrógeno (H2S), gas incoloro y altamente venenoso, desde
volcanes activos y la descomposición de la materia orgánica en pantanos, ciénegas y
llanuras cubiertas por las mareas; también lo encontramos como dióxido de azufre
(SO2), gas incoloro y sofocante proveniente de volcanes activos y finalmente en
partículas de sulfatos ¿.
Cerca de un tercio de todos los compuestos de azufre y 99% del dióxido de azufre que
llegan a la atmósfera desde todas las fuentes, provienen de las actividades humanas,
como por ejemplo la combustión de carbono y petróleo que contienen azufre, destinada
a la materia orgánica y fertilizantes. Las aguas oxidadas contienen principalmente
sulfatos mientras que las aguas anóxicas acumulan sulfuros, los cuales provienen de la
descomposición intensiva con potenciales redox reducidos a niveles menores de 100
mV, tales como humedales, aguas profundas y sedimentos.
Este ciclo es un poco complejo que en el mismo intervienen varias especies gaseosas,
minerales poco solubles y diversas especies en disolución, por lo que se encuentra
compuesto por fases sedimentarias y gaseosas.
La fase sedimentaria proviene de la meteorización de las rocas, residuos y
descomposición de materia orgánica. Luego es transportado a los ecosistemas terrestres
como solución salina. En cambio la fase gaseosa permite la circulación del azufre a
escala global.
En un principio ingresa a la atmósfera como sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual junto
con el oxígeno forma dióxido de azufre (SO2), cuando este se encuentra en la atmósfera,
es llevado a de regreso a la superficie en el agua de lluvia como ácido sulfúrico débil
(H2SO4). El azufre proveniente de cualquier fuente es absorbido por las plantas e
incorporado a aminoácidos sulfurados gracias al metabolismo, gracias a estos
productores el azufre presente en los aminoácidos es llevado a los consumidores.
La excreción y la muerte devuelven el azufre nuevamente al suelo y al fondo de las
aguas dulces y de mar donde bacterias lo liberan como sulfito o sulfato de hidrógeno.
Las bacterias sulfuradas reducen el sulfuro de hidrógeno a azufre elemental oxidándolo
para formar ácido sulfúrico.
El azufre en presencia del hierro y en condiciones anaeróbicas, precipita como sulfuro
ferroso (FeS2), el cual es altamente insoluble a pH neutro y ácido, manteniéndose
fijamente en el lodos y suelos húmedos. Las rocas sedimentarias que poseen sulfuro
ferroso (piríticas)
pueden recubrir los
depósitos de carbón, y al
quedar expuestas al aire
durante la explotación
minera profunda o
superficial del mismo, el
sulfuro ferroso
reacciona con el
oxígeno, en presencia de
agua produce sulfato
ferroso (FeSO4) y ácido sulfúrico. En esta explotación estos y otros compuestos que
contienen azufre son liberados a los ecosistemas acuáticos destruyéndolos debido al alto
grado de acidez en el cual la vida no es posible.
La atmósfera además de dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno contiene partículas
con sulfatos las cuales forman parte de la deposición seca, las formas gaseosas se
combinan con la humedad y son llevadas en las precipitaciones (deposición húmeda).
El sulfuro de hidrógeno es el gas dominante que se emite desde los humedales de agua
dulce y suelos anóxicos, los incendios forestales emiten cerca de un 3 ×1012g
anualmente sumado a ello la oxidación anaeróbica de la materia orgánica se tiene un un
estimado de 200 ×1012g al año.
La actividad industrial del hombre está provocando exceso de emisiones de gases
sulfurosos a la atmósfera y ocasionando problemas como la lluvia ácida.
Todos los ciclos biogeoquímicos están relacionados de diversos modos. Algunos
ejemplos son la conexión entre el calcio y el fósforo para formar el mineral apatita, un
fosfato de calcio, y la conexión entre el oxígeno con el nitrógeno para formar nitratos.
En general los nutrientes que circulan son todos componentes de los organismos vivos y
constituyen la materia orgánica. Las relaciones estequiométricas entre los distintos
elementos involucrados en los procesos vegetales relacionados con la absorción del
carbono y el desarrollo vegetal tienen una importante influencia en la circulación de
nutrientes dentro del ecosistema.
Las demandas de la población creciente junto con las necesidades de un estándar de
vida material superior, traen como resultado la contaminación mundial en una escala
masiva. Las cinco esferas ambientales principales pueden padecer la contaminación,
además de estar todas ellas involucradas a los fenómenos de polución. Por ejemplo,
algunos gases emitidos a la atmósfera pueden convertirse en ácidos fuertes por procesos
químicos atmosféricos, precipitar a la superficie de la tierra como lluvia ácida y
contaminar el agua con su acidez. Los residuos dañinos que se desechan
inadecuadamente, pueden lixiviarse al agua subtárrena que se libera como agua
contaminada en los arroyos.
Conclusiones:
Gracias a las diferentes fuentes bibliográfica se logró conocer a fondo los
diferentes ciclos biogeoquímicos presentes en nuestro planeta
Se pudo conocer que nuestra manera de vida influye en la contaminación
ambiental, ahora solamente está en cada uno de alguna manera aportar a que esta
contaminación decrezca
Todos los ciclos biogeoquímicos se encuentran conectados debido a sus
nutrientes circulantes un desequilibrio en la entrada o salida de estos nutrientes
al ecosistema afecta gravemente a nuestro planeta.
La conexión que existe entre los ciclos biogeoquímicos de los distintos
ecosistemas nos exige visualizar estos ciclos desde una perspectiva global.
La absorción del CO2 de la atmósfera se debe gracias a una gran producción de
la fotosíntesis de ahí la importancia de los bosques quienes son bien llamados
pulmones del mundo.
Todos los residuos perjudiciales para la vida que son desechados
inadecuadamente pueden ingresar al agua subterránea contaminando las pocas
fuentes de agua dulce
Las sustancias lixiviadas de minerales erosionados pueden estar disueltas en el
agua y depositarse como formaciones minerales o ser consumidas en forma de
nutrientes por los organismos.
Citas Bibliográficas:
Bibliografía
Manahan Stanley. 2006. “Introducción a la Química Ambiental” .1º Edición. Editorial
REVERTE. 496-514.
Smith, T. Robert, S. 2007. “Ecología”. 6º edición. Editorial PEARSON. 11-19.
Webgrafía
CICEANA. Ciclo del Azufre, 1-2. Extraído 17 de Septiembre del 2009 de: http://www.ciceana.org.mx
